Nghiên cứu và chế tạo thiết bị đo ứng suất đứng trong nền đất yếu - Võ Phán

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 10 NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ỨNG SUẤT ĐỨNG TRONG NỀN ĐẤT YẾU VÕ PHÁN *, CHÂU NGỌC ẨN**, NGUYỄN TUẤN PHƢƠNG*** Studying and manufacturing vertical stress testing equipments in the soft ground Abstract: To day, the vertical stress testing equipment are manufactured with different types and materials. The most equipments are imported and high prices. The use of vertical stress testing equipments are imported always more difficulties, such as installation, calibration and collection’s test results, that must be using the equipments recorded synchronization, so the cost is high. In recent years, the current constructions, the computation and the stress test in the stage construction are not tested verification, that is can lead to the calculation in the stage design and the stage construction are not the same, some constructions occur many problems of the foundation such as settlement, shear strain, deformation.... The study and manufacture of equipment test vertical stress in the soft ground is essential. 1. CÁC YÊU CẦU CỦA THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM* Hiện tƣợng ảnh hƣởng lực phân bố của nền đắp đƣợc quan sát và nghiên cứu từ mô hình tỷ lệ lớn thông qua lực kéo căng trong vải và lực cắt của nền đắp. Bên cạnh biến dạng ngang ở chân nền đắp và lực ngang trên cọc đƣợc đo giúp thiết bị đo xác định ứng suất phân bố trong nền đắp. Các thiết bị đo ghi lại đƣợc những số liệu theo từng thời điểm đo với mức độ chính xác cao. Các ứng suất đứng trong đất đƣợc đo dựa trên biến dạng của các cảm biến (strain gauges). Độ chặt của lớp cát đắp phải bằng nhau. Thiết bị đo ứng suất đƣợc đặt phân bố với nhiều vị trí đo khác nhau trong nền cát đắp để thu đƣợc kết quả chính xác và đồng nhất về số liệu thì các cảm biến phải đƣợc bảo vệ. *, **, *** Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Số 268 Lý Thường Kiệt, quận 10, TP. Hồ Chí Minh, ĐT: 083 8636822 * ĐT: 0913 867008, Email: vphan54@yahoo.com, ** ĐT: 0908 299105, Email:cnan@yahoo.com *** ĐT: 0919 070096, Email: tuanphuongvk@gmail.com 2. CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 2.1. Nguyên lý làm việc của thiết bị đo ứng suất Cảm biến là thiết bị đo biến dạng (ε) dƣới tác dụng của ngoại lực tác dụng. Biến dạng (ε) là sự thay đổi về kích thƣớc hình học của vật liệu nhƣ hình 1. ε = ΔL/L Hình 1. Biến dạng kích thước của vật liệu Hình 2. Hình dạng cảm biến ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 11 Ứng dụng lý thuyết biến dạng tấm mỏng chịu áp lực phân bố nhƣ hình 3. Hình 3. Lực phân bố lên tấm mỏng Dƣới tác dụng của áp lực, tấm kim loại mỏng biến dạng đàn hồi, làm thay đổi điện trở của cảm biến dán dính trên tấm kim loại. Từ sự biến đổi điện trở của cảm biến, cƣờng độ dòng điện qua cảm biến cũng thay đổi. Bằng thiết bị đo, có thể ghi nhận sự biến đổi của dòng điện theo từng áp lực tác dụng lên tấm mỏng. Vật liệu dùng chế tạo cảm biến là vật liệu dẫn điện, có quan hệ giữa biến dạng và điện trở biểu hiện qua tỷ số giữa biến thiên tƣơng đối của điện trở với biến thiên tƣơng đối của chiều dài cảm biến gọi là hệ số cảm biến (Gauge factor). l R A r = Với R: Điện trở (Ω) ρ: Điện trở suất (Ωmm) l: Chiều dài vật dẫn điện (mm) A: Diện tích tiết diện dẫn điện (mm2) / / R R GF L L d d = Với GF: Hệ số cảm biến Rd : Độ biến thiên cảm biến R : Điện trở (Ω) Ld : Độ biến thiên chiều dài L : Chiều dài (mm) Nguyên lý của hệ thống đo: Ứng dụng mạch cầu Wheatstone. Hệ thống sẽ đƣợc cấp nguồn điện không đổi VS. Khi cảm biến không bị biến dạng (ΔR=0 và Rx= R1 = R2 = R3 =R0) thì VG=0. Khi cảm biến bị biến dạng làm thay đổi giá trị RX và giá trị VG theo công thức bên dƣới. Đo giá trị điện áp VG ta sẽ suy ra đƣợc giá trị biến dạng. 2 3 1 2 ( )xG s x R R V V R R R R     (1) 1 4 1 2 G S V GF V GF                (2) 4 (2 ) G G S V GF V V     (3) Hình 4. Sơ đồ mắc nối tiếp Strain gauge và các điện trở Dựa trên nguyên lý làm việc trên các thiết bị đo ứng suất đƣợc chế tạo nhƣ sau: Hình 5. Tấm đồng phẳng có đường kính 35mm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 12 Hình 6. Đường kính ngoài vành khuyên inox 38mm Hình 7. Tấm đồng sau khi gắn cảm biến. Hình 8. Các biến trở được lắp vào tấm đồng. Hình 9. Thiết bị đo ứng suất được hoàn thành. Tấm đồng đƣợc lắp vào vành khuyên Inox cố định các cảm biến và các biến trở đƣợc kết nối với hệ thống đo thông qua dây dẫn đầu ra. 2.2. Nguyên lý làm việc của thiết bị đo áp lực nƣớc lỗ rỗng Cũng dựa trên nguyên lý trên thiết bị đo áp lực nƣớc lỗ rỗng cũng đƣợc chế tạo. Tuy nhiên do điều kiện thiết bị đo áp lực nƣớc lỗ rỗng đƣợc đặt trong môi trƣờng nƣớc có nhiều hạt cát nhỏ để tránh sự cản trở của các hạt cát chèn vào thiết bị làm giảm tính chính xác của kết quả đo. Nên thiết bị đo áp lực nƣớc lỗ rỗng đƣợc phủ một lớp silicat chống các hạt cát chèn vào bên trong nhƣng áp lực nƣớc vẫn tác dụng lực vào thiết bị. Hình 10. Thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng được phủ lớp Silicat hạn chế sự cản trở của các hạt cát. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 13 3. CHUẨN HÓA THIẾT BỊ ĐO ỨNG SUẤT VÀ ÁP LỰC NƢỚC LỖ RỖNG Chuẩn quá thiết bị bằng cách ghi nhận các số liệu thu đƣợc từ thiết bị thu P3 thông qua kết nối áp lực của cột nƣớc với Hc = 9000mm. Sử dụng máy đo đa kênh kỹ thuật số P3 (Mỹ) đã đƣợc kiểm định và chuẩn hóa bởi Instrumentation Quality Control. Cảm biến áp lực dạng điện trở đã đƣợc kiểm tra và chuẩn hóa đảm bảo độ chính xác cao. Hình 11. Chuẩn hóa thiết bị đo ứng suất của thiết bị P3 được kết nối với máy tính Hình 12. Lắp ống đo áp lực nước để chuẩn hóa thiết bị đo ứng suất của thiết bị P3. Hình 13. Kết nối thiết bị đo ứng suất của thiết bị P3 Bảng 1 kết quả ghi nhận áp lực nƣớc của thiết bị đo P3 của 14 đầu đo đƣợc ký hiệu từ PS1÷PS14 Giá tri P3 (µm/m) Cột nướ c (cm) Áp suất nước (N/m2) PS 1 PS 2 PS3 PS 4 PS 5 PS6 PS7 PS8 PS9 PS1 0 PS1 1 PS1 2 PS1 3 PS1 4 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 20 1962 19 35 39 28 42 32.7 14 20 11 17 25 22 31 14 40 3924 37 61 71 63 79 60.7 32 39,7 24 37 42 43 60 32 60 5886 56 85 103 89 111 83.3 50 60,7 34 56 66 61 83 50 80 7848 75 106 134 115 136 105 70 81,7 42 72,7 87 76 104 66 100 9810 93 126 162 136 159 125 88 102 52,5 89,3 109 90 124 83 120 11772 110 146 191 156 180 144. 3 108 121 60,5 106, 3 127 103 141 100 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 14 Giá tri P3 (µm/m) Cột nướ c (cm) Áp suất nước (N/m2) PS 1 PS 2 PS3 PS 4 PS 5 PS6 PS7 PS8 PS9 PS1 0 PS1 1 PS1 2 PS1 3 PS1 4 140 13734 128 166 215 175 200 161 127. 7 140 68 120, 3 141 114 157 116 160 15696 145 183 238 191 219 177. 3 147 159, 7 75,5 134, 7 162 124 174 133 180 17658 162 200 260 206 238 193. 3 165 177, 7 83,5 148, 7 175 135 188 150 200 19620 179 216 280 222 256 208 184 196, 7 90 162, 7 188 144 203 166 220 21582 195 232 301 237 273 222. 7 202 214 97 176, 7 200 155 217 182 240 23544 211 247 319 252 290 237 220, 7 233 104, 5 191, 3 212 163 231 197 260 25506 228 261 338 267 307 250, 3 238, 7 250 111, 5 203, 7 225 173 245 213 280 27468 244 274 355 282 323 264, 3 255 267, 7 119 217, 7 237 181 258 228 300 29430 260 290 373 297 338 277, 7 274 285 125 231, 3 249 192 272 242 320 31392 275 301 390 310 353 291, 3 290 301, 7 132, 5 245 261 200 286 257 340 33354 291 317 406 325 369 304, 3 305, 7 318 139, 5 257, 7 273 210 299 272 360 35316 308 330 421 338 383 316, 7 322 334, 7 149 271 285 222 286 380 37278 324 343 436 351 396 329, 7 338, 7 351, 7 155 282, 7 296 234 300 400 39240 339 356 451 364 410 342, 3 354, 7 368, 7 162 295, 3 308 313 420 41202 354 368 465 378 424 354, 7 370, 7 384 169 309 319 327 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 15 Giá tri P3 (µm/m) Cột nướ c (cm) Áp suất nước (N/m2) PS 1 PS 2 PS3 PS 4 PS 5 PS6 PS7 PS8 PS9 PS1 0 PS1 1 PS1 2 PS1 3 PS1 4 440 43164 370 381 479 392 439 366, 3 386 399, 7 177. 5 321, 7 331 342 460 45126 386 394 493 404 452 378 401, 7 416 185 333, 7 343 356 480 47088 399 406 507 417 465 389 417 430, 7 192, 5 346 346 370 500 49050 412 417 519 428 477 399 431 445 199, 5 356, 7 362 382 520 51012 426 428 531 438 488 408, 7 444, 7 459 206 367 371 395 540 52974 437 440 544 446 501 417, 7 457, 7 472, 7 212 377, 3 378 407 560 54936 451 452 556 455 511 430, 3 471, 7 486, 7 218 387, 7 385 418 580 56898 464 460 567 463 525 436 483, 7 499 223, 5 396, 7 393 430 600 58860 476 475 579 472 539 445, 3 497 512 229, 5 407 401 442 620 60822 487 591 481 455, 3 509, 7 525 236, 5 416, 7 408 453 640 62784 499 601 491 465 522, 7 538, 7 242, 5 426 417 463 660 64746 511 613 501 474, 3 534, 7 551, 7 248, 5 435, 3 425 473 680 66708 522 624 510 482, 7 547 564, 7 255 444, 7 435 484 700 68670 534 635 519 491, 3 558, 7 577 261 453, 7 441 494 720 70632 545 645 528 500 570, 7 590 267 463 447 504 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 16 Giá tri P3 (µm/m) Cột nướ c (cm) Áp suất nước (N/m2) PS 1 PS 2 PS3 PS 4 PS 5 PS6 PS7 PS8 PS9 PS1 0 PS1 1 PS1 2 PS1 3 PS1 4 740 72594 555 655 537 508, 7 582, 7 603 273 472 455 514 760 74556 565 666 517, 7 596 279 481, 3 463 522 780 76518 576 677 527 609 285 490, 3 472 531 800 78480 588 688 537 620, 7 290, 5 499, 7 480 541 820 80442 597 699 546 632 509 488 551 840 82404 607 708 643, 7 517, 7 496 560 860 84366 620 718 655 526, 7 504 570 880 86328 628 665 533, 7 510 579 900 88290 637 675 542 517 588 Đồ thị 14. Chuẩn hóa các đường ứng suất của thiết bị đo P3 cho các đầu đo PS1÷PS14. Bảng 2 bảng so sánh sai số hệ số hồi quy cảm biến áp lực trong 5 lần đo với thiết bị đo P3 Bảng so sánh sai số hệ số hồi quy cảm biến áp lực trong 5 lần đo với thiết bị đo P3 (%) Cảm Biến P3_1 P3_2 P3_3 P3_4 P3_5 TB ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 17 Ps1 0,34% 0,08% 0,82% 1,03% 0,30% 0,51% Ps2 1,11% 0,65% 0,63% 0,23% 0,56% 0,64% Ps3 1,47% 0,30% 0,99% 0,45% 0,49% 0,74% Ps4 0,98% 0,37% 0,56% 0,47% 1,03% 0,68% Ps5 0,96% 0,26% 1,01% 0,82% 0,70% 0,75% Ps6 0,99% 0,45% 0,49% 0,63% 0,23% 0,56% Ps7 0,08% 0,82% 1,03% 0,82% 0,70% 0,69% Ps8 0,37% 0,67% 0,56% 0,47% 0,55% 0,52% Ps9 0,82% 1,03% 0,30% 0,34% 0,08% 0,51% Ps10 0,63% 0,23% 0,56% 0,30% 0,99% 0,54% Ps11 0,82% 0,30% 1,02% 0,45% 0,49% 0,62% Ps12 0,45% 0,49% 0,63% 1,03% 0,30% 0,58% Ps13 0,26% 1,01% 0,82% 0,67% 0,56% 0,66% Ps14 0,82% 1,03% 0,30% 0,99% 0,45% 0,72% Giá trị P3 (µm/m) Hình 15. Hồi quy các đường ứng suất từ thiết bị đo P3 trong 5 lần đo. 4. THIẾT BỊ ĐO ỨNG SUẤT ĐỨNG SAU KHI CHẾ TẠO ĐƢỢC SỬ DỰNG TRONG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM Để rút ra những kết luận chính của đề tài nghiên cứu ứng xử của hệ cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật. Bên cạnh nghiên cứu cơ sở lý thuyết khá cẩn thận và chi tiết, thì việc kiểm chứng lý thuyết cũng nhƣ để có những kết luận chi tiết hơn và rõ ràng hơn thì việc xây dựng mô hình thí nghiệm tỷ lệ thực 1: 1 trên vùng đất yếu Đồng bằng sông Cửu Long rất cần thiết. Mô hình tỷ lệ thực 1:1 đƣợc xây dựng tọa lạc tại Quốc lộ 60 trên địa bàn xã Tân Thạch huyện Châu Thành tỉnh Bến Tre trên nền đất yếu phổ biến ở Đồng bằng sông Cửu Long. Mô hình đƣợc xây dựng với các loại vật liệu sau: + Thiết kế 16 cọc bê tông cốt thép có B.20 M.250, tiết diện 250x250mm chiều dài cọc L = 14m gồm 02 mô đun mỗi mô đun 7m. + Vải địa kỹ thuật loại dệt cƣờng độ cao khả năng chịu kéo cao, độ giãn dài tối đa đạt 10%. + Cát đắp trên đầu cọc là cát hạt to. Cát đồng nhất kích thƣớc hạt 0,063 ÷ 3,00mm. + Cát đắp gia tải là cát mịn, chiều cao đắp đạt 4m. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 18 Hình 16. Mặt cắt lắp đặt các thiết bị trong mô hình thí nghiệm thực tại hiện trường. Hình 17. Mặt bằng lắp đặt các thiết bị trong mô hình thí nghiệm thực tại hiện trường. Hình 18. Mô hình thí nghiệm tại hiện trường 5. THU THẬP KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1. Kết quả thu đƣợc từ mô hình thí nghiệm hiện trƣờng Mô hình thí nghiệm có 16 cọc, thiết bị đo đƣợc lắp tập trung ở 04 cọc giữa. Kết quả mô hình thí nghiệm thu đƣợc ở lần đo đầu tiên vừa chất tải đạt yêu cầu thiết kế. Hình 19. Lắp thiết bị đo ở 04 cọc giữa. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 19 Hình 20. Cao trình lắp thiết bị đo giữa 02 cọc. Các đầu đo ứng suất trong mô hình thí nghiệm đƣợc đặt tại các vị trí nhằm thu thập các giá trị ứng suất tại các điểm để phân tích ảnh hƣởng của hiệu ứng vòm trong giải pháp thiết kế xử lý nền này. Các thiết bị đƣợc đặt trên tấm đệm phẳng nhằm tránh lệch thiết bị trong quá trình thí nghiệm. Các thiết bị đo đƣợc lắp nhƣ sau: - Ps7 là đầu đo áp lực nƣớc lỗ rỗng đặt tại giữa khoảng cách 02 cọc - Ps3 là đầu đo áp lực nƣớc lỗ rỗng đặt tại giữa tâm 04 cọc - Ps9 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc nhƣng dƣới lớp vải địa kỹ thuật - Ps1 là đầu đo ứng suất đặt giữa 02 cọc nhƣng trên lớp vải địa kỹ thuật - Ps4 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc đo ứng suất đứng theo phƣơng ngang - Ps8 là đầu đo ứng suất đặt cách cọc ¼ khoảng cách cọc nhƣng trên lớp vải địa kỹ thuật - Ps10 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc nhƣng trên lớp vải địa kỹ thuật - Ps14 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp cách đầu cọc 0,4m theo phƣơng đứng - Ps11 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp cách đầu cọc 0,8m theo phƣơng đứng - Ps6 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp cách đầu cọc 1,2m theo phƣơng đứng - Ps2 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp cách đầu cọc 1,6m theo phƣơng đứng. 5.2. Phân tích kết quả thu đƣợc từ mô hình thí nghiệm Bảng 3 giá trị ứng suất tại các điểm đo trong suốt thời gian gia tải đạt cấp tải tĩnh P = 15 kN/m2 T.gian Giờ Ps7 Ps3 Ps9 Ps1 Ps4 Ps8 Ps1 0 Ps1 4 Ps1 1 Ps6 Ps2 4/29/1 3 13:32:5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4/29/1 3 13:46:3 7 0,6 4 0,6 4 8,75 0,2 7 0,05 0,62 1,18 1,48 0,60 1,3 2 1,5 2 4/29/1 3 13:51:0 7 0,9 2 0,3 5 16,4 8 0,7 3 0,48 1,69 1,89 2,09 0,96 1,4 6 2,0 8 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 20 T.gian Giờ Ps7 Ps3 Ps9 Ps1 Ps4 Ps8 Ps1 0 Ps1 4 Ps1 1 Ps6 Ps2 4/29/1 3 13:55:3 7 1,0 1 0,4 3 21,3 0 1,1 1 0,94 2,87 2,82 2,80 1,32 1,7 3 2,3 7 4/29/1 3 13:59:3 7 1,1 0 0,5 1 25,0 4 1,3 9 0,54 3,88 3,55 3,32 1,54 1,7 3 2,9 5 4/29/1 3 14:03:3 7 1,1 0 0,5 5 28,3 8 1,7 6 1,59 4,91 4,18 3,63 1,62 1,9 3 3,5 6 4/29/1 3 14:08:0 7 1,1 9 0,5 5 32,8 7 2,1 4 2,09 6,13 5,16 4,36 2,07 2,0 0 4,0 9 4/29/1 3 14:12:0 7 1,1 9 0,5 9 35,8 6 2,6 2 2,48 7,47 6,15 5,10 2,23 2,2 1 4,6 5 4/29/1 3 14:16:3 7 1,2 8 0,7 2 41,1 6 3,1 9 3,02 8,83 7,28 5,96 2,71 2,3 5 4,9 7 4/29/1 3 14:21:0 7 1,6 5 0,8 5 47,8 2 3,6 8 3,50 10,8 2 8,89 6,93 3,03 2,4 3 4,8 9 4/29/1 3 14:25:0 7 1,6 5 0,7 6 52,9 1 4,2 6 30,8 9 11,5 2 9,25 6,93 2,79 2,4 3 5,3 0 4/29/1 3 14:29:3 7 1,5 6 0,6 8 58,1 4 4,1 6 3,36 12,2 3 10,1 9 7,37 4,32 2,7 2 5,6 3 4/29/1 3 14:33:3 7 1,7 5 0,8 0 64,4 9 4,6 6 3,85 13,4 6 11,1 6 7,92 4,49 2,7 9 5,9 6 4/29/1 3 14:55:3 8 1,7 5 0,6 87,5 7 5,7 5 5,12 15,9 6 13,6 4 9,15 4,58 3,0 8 6,4 7 4/29/1 3 14:07:2 6 1,7 5 0,5 5 94,8 0 5,9 5 5,27 16,8 1 14,4 0 9,83 5,04 3,0 8 6,5 6 Ứng suất (kN/m2) Thời gian (phút) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 21 Hình 21. Đường ứng suất tại các đầu đo. Ứng suất (kN/m2) Thời gian (phút) Hình 22. Đường ứng suất tại đầu đo Ps9 và Ps1. Qua phân tích đồ thị đƣờng ứng suất cho thấy hiện tƣợng tập trung ứng suất đầu cọc khá rõ. Tại đầu đo Ps9 = 64,49 kN/m2 trong khi đó ứng suất phân bố trên đất nền xung quanh 4 cọc tại đầu đo Ps1 = 5,95 kN/m2. Nhƣ vậy hệ số tập trung ứng suất trong trƣờng hợp này đạt n = 64,49/5,95 = 10,83. 6. KẾT LUẬN 1. Kết quả thu đƣợc n = 10,83, cho thấy thiết bị hoạt động tốt và có thể sử dụng để phân tích số liệu nghiên cứu cho mô hình thí nghiệm. 2. Việc chuẩn hóa thiết bị đo thông qua kiểm chứng thiết bị bằng cách gia tải lên thiết bị và ghi nhận số liệu một cách rõ ràng và chính xác theo phƣơng pháp tính giải tích. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Jonh Wily and Sons, New York Terzaghi, Theoretical Soil Mechanics, 1943 pp. 67-76. [2]. Strain gauge Measurement – A tutorial, application note 078, pp. 2-4. [3]. British Standard, code of practice of strengthened/ reinforced soils and other fills, chapter 9 BS 8006, 1995 pp. 135-154. [4]. B. Le Hello, B. Chevalier, G. Combe, P. Villard, Coupling finite elements and discrete elements methods, application to reinforced embankment by piles and geosynthetics, 2004 pp. 32-45. [5]. Ansgar Emersleben and Norbert Meryer, The use of geocells in constructions over soft soil: Vertical stress and falling weight deflectometer measurments, pp. 2 Phản biện: GS.TS. LÊ TRỌNG NGHĨA